Аналоговые устройства электронных приборов

Министерство образования и науки российской Федерации 

уральский Федеральный университет  
иМени первого президента россии б. н. ельцина

в. с. кортов 
с. в. никифоров

аналоговые устройства 
электронных приборов

рекомендовано методическим советом урФу 
в качестве учебного пособия для студентов, 
обучающихся по программе бакалавриата  
по направлениям подготовки 12.03.01 «приборостроение», 
11.03.04 «электроника и наноэлектроника»

екатеринбург 
издательство уральского университета 
2016

удк 621.38(075.8)
ббк 32.85я73
 
к 69

р е ц е н з е н т ы:
отдел неразрушающего контроля
института физики металлов им. М. н. Михеева уро ран
(заведующий отделом доктор технических наук,  
профессор Я. Г. Смородинский);
В. И. Соломонов, доктор физико-математических наук,  
профессор, ведущий научный сотрудник
(институт электрофизики уро ран)

н ау ч н ы й  р е д а к т о р
г. и. пилипенко, доктор физико-математических наук, профессор

Кортов, В. С.
к 69  
аналоговые устройства электронных приборов : [учеб. пособие] / 
в. с. кортов, с. в. никифоров ; [науч. ред. г. и. пилипенко] ; 
М-во образования и науки рос. Федерации, урал. федер. ун-т. — 
екатеринбург : изд-во урал. ун-та, 2016. — 208 с. 

ISBN 978-5-7996-1808-7

в учебном пособии рассматриваются усилители электрических сиг-
налов — устройства, входящие в состав современных электронных при-
боров. показаны разнообразные аспекты расчета и проектирования уси-
лительных устройств: качественные показатели усилителей, принципы 
построения усилительных схем, режим усилителя по постоянному току, 
работа усилителя в режиме переменного тока, особенности многокаскад-
ных усилителей, свойства усилителей с обратными связями, выходные 
каскады усилителей, интегральная схемотехника. подробно рассмотрены 
схемы включения операционных усилителей, проанализированы вопросы 
их устойчивости и точности преобразований сигналов.
для студентов, изучающих электронику и микропроцессорную 
технику.

удк 621.38(075.8)
ббк 32.85я73

© уральский федеральный университет, 2016
ISBN 978-5-7996-1808-7

ОглаВление

Список основных сокращений ................................................................................6

предисловие ...........................................................................................................7

глава 1. Общие положения. Терминология............................................................8
1.1. обобщенная схема электронного прибора контроля ..................................8
1.2. определение усилителя ...............................................................................10
1.3. качественные показатели усилителя .......................................................... 11
1.3.1. входные и выходные параметры ...................................................... 11
1.3.2. коэффициент усиления ..................................................................... 11
1.3.3. Частотные характеристики усилителя .............................................13
1.3.4. амплитудно-фазовая характеристика ..............................................16
1.3.5. линейные искажения в усилителях ..................................................17
1.3.6. нелинейные искажения .....................................................................20
1.3.7. амплитудная характеристика усилителя .........................................21
1.3.8. переходная характеристика усилителя.  
искажения прямоугольных импульсов ............................................22
1.3.9. дрейф нуля ..........................................................................................27
1.4. взаимосвязь ширины спектра с длительностью импульса ......................28
контрольные вопросы и задания .......................................................................30

глава 2. Принципы построения усилительных схем .........................................32
2.1. общая блок-схема усилителя ......................................................................32
2.2. типы усилительных каскадов ......................................................................33
2.2.1. типы одиночных каскадов ................................................................33
2.2.2. усилительные секции ........................................................................36
2.3. обратная связь в усилителях .......................................................................38
2.4. схемы смещения и термостабилизации в усилительном каскаде ...........41
2.4.1. смещение фиксированным током базы.  
коллекторная термостабилизация ....................................................41
2.4.2. смещение фиксированным напряжением на базе.  
эмиттерная термостабилизация .......................................................44
2.4.3. комбинированная термостабилизация .............................................46
2.4.4. термокомпенсация .............................................................................46
2.5. цепи межкаскадной связи ............................................................................48
2.6. коллекторный фильтр ..................................................................................50
2.7. основные особенности интегральных микросхем ....................................51
контрольные вопросы и задания .......................................................................57

глава 3. Режим усилительного каскада по постоянному току .........................59
3.1. определение координат рабочей точки ......................................................59
3.2. расчет цепей смещения и термостабилизации ..........................................63
3.3. причины температурной нестабильности каскада ...................................64
3.4. коэффициент температурной нестабильности ..........................................67
3.5. аналитический расчет ΔIкТ и Ns ...................................................................68
3.6. порядок расчета каскада с эмиттерной термостабилизацией 
по постоянному току ....................................................................................70
контрольные вопросы и задания .......................................................................70

глава 4. Работа усилительного каскада в режиме переменного тока 
(с малосигнальными параметрами транзистора) ..............................73
4.1. исходные предпосылки ................................................................................73
4.2. коэффициент усиления на средних частотах ............................................75
4.3. входная проводимость усилительного каскада .........................................77
4.4. анализ частотных свойств промежуточного усилительного каскада .....79
4.4.1. принципиальная и полная эквивалентные схемы ..........................79
4.4.2. область средних частот .....................................................................81
4.4.3. область высоких частот ....................................................................82
4.4.4. область низких частот .......................................................................85
4.4.5. замечания и численные оценки при расчете  
частотных свойств усилительного каскада ......................................88
4.5. расчет коллекторной нагрузки промежуточного каскада  
по заданной верхней частоте.......................................................................91
4.6. выбор транзистора по заданному коэффициенту усиления  
и верхней граничной частоте ......................................................................92
4.7. порядок расчета промежуточного каскада ................................................93
4.8. усиление импульсов промежуточным каскадом .......................................94
4.9. особенности расчета промежуточного каскада  
на полевом транзисторе ...............................................................................97
контрольные вопросы и задания .....................................................................101

глава 5. Многокаскадные усилители ..................................................................103
5.1. коэффициент усиления и частотные свойства ........................................103
5.2. определение числа каскадов по заданному  
коэффициенту усиления и верхней граничной частоте ..........................107
5.3. усиление импульсов многокаскадным усилителем ................................108
5.4. распределение искажений и расчет многокаскадного усилителя .......... 111
контрольные вопросы и задания ..................................................................... 114

глава 6. Свойства усилителей с обратными связями ...................................... 115
6.1. последовательная оос по напряжению .................................................. 115
6.2. эмиттерный повторитель ........................................................................... 118
6.3. последовательная оос по току ................................................................129

6.3.1. последовательная оос по току в выходном каскаде ...................129
6.3.2. Частотно-зависимая последовательная оос по току ...................131
6.3.2.1. Малая емкость в эмиттерной цепи ...................................131
6.3.2.2. большая емкость в эмиттерной цепи ...............................134
6.3.3. распределение искажений вершины импульса  
между эмиттерной цепью и цепью связи .......................................138
6.4. каскад с общей базой .................................................................................140
6.5. каскод ..........................................................................................................144
6.6. Фазоинвертор ..............................................................................................146
контрольные вопросы и задания .....................................................................148

глава 7. Выходные каскады усилителей ............................................................150
7.1. выходные каскады усиления напряжения ...............................................150
7.2. выходные каскады усиления мощности ..................................................153
7.2.1. условие отдачи максимальной мощности в нагрузку ..................153
7.2.2. включение нагрузки через выходной трансформатор .................154
7.2.3. двухтактные каскады усиления мощности ...................................157
7.2.4. выбор радиатора к транзистору выходного каскада ....................161
контрольные вопросы и задания .....................................................................162

глава 8. интегральная схемотехника ..................................................................164
8.1. основные типы усилителей на иМс ........................................................164
8.1.1. линейная усилительная секция ......................................................164
8.1.2. дифференциальный усилительный каскад ....................................164
8.1.3. операционные усилители ...............................................................169
8.1.3.1. базовая схема ......................................................................169
8.1.3.2. принципиальная схема простейшего  
операционного усилителя ................................................171
8.1.3.3. схемы включения операционных усилителей ................174
8.1.3.4. качественные показатели операционного усилителя ....175
8.1.3.5. применение операционных усилителей.  
схемы включения .............................................................179
8.1.3.6. вспомогательные цепи операционных усилителей .......184
8.1.3.7. понятие об активных фильтрах........................................187
8.1.3.8. понятие об устойчивости операционного усилителя ....192
8.1.3.9. погрешности операционного усилителя .........................199
контрольные вопросы и задания .....................................................................204

Список рекомендуемой литературы ...................................................................206

СПиСОК ОСнОВных СОКРащений

аФх 
— 
амплитудно-фазовая характеристика
аЧх 
— 
амплитудно-частотная характеристика
вах 
— 
вольт-амперная характеристика
вк 
— 
выходной каскад
гст 
— 
генератор стабильного тока
дк 
— 
дифференциальный каскад
ду 
— 
дифференциальный усилитель
иМс 
— 
интегральная микросхема
кпд 
— 
коэффициент полезного действия
лаЧх — 
логарифмическая амплитудно-частотная характеристика
Мдп 
— 
металл — диэлектрик — полупроводник
Мкс 
— 
межкаскадная связь
об 
— 
общая база
ок 
— 
общий коллектор
оос 
— 
отрицательная обратная связь
ос 
— 
обратная связь
оу 
— 
операционный усилитель
оэ 
— 
общий эмиттер
пос 
— 
положительная обратная связь
пу 
— 
предусилитель
сс 
— 
синфазный сигнал
ув 
— 
усилитель высоких частот
уд 
— 
усилитель дифференциальный
уе 
— 
повторитель напряжения
ун 
— 
усилитель низких частот
унЧ 
— 
усилитель низких частот
упт 
— 
усилитель постоянного тока
уФ 
— 
ультрафиолетовый
ФвЧ 
— 
фильтр высоких частот
ФнЧ 
— 
фильтр низких частот
ФЧх 
— 
фазочастотная характеристика
эдс 
— 
электродвижущая сила
эп 
— 
эмиттерный повторитель
RC 
— 
резистивно-емкостная цепь
RCL 
— 
колебательный контур с индуктивностью, резистором и емкостью

Предисловие

данное учебное пособие является составной частью учебно-методического 
обеспечения дисциплины «электроника и микропроцессорная техника», при 
этом раздел схемотехники аналоговых устройств — один из важнейших в обще-
технической и профессиональной подготовке специалистов по приборострое-
нию и электронике. в нем закладываются фундаментальные знания о принципах 
работы, построения, проектирования и применения аналоговых схем и устройств 
в электронных приборах широкого назначения.
с учетом профилей подготовки специалистов по указанным выше направ-
лениям основное внимание в учебном пособии уделяется аналоговым устройст-
вам электронных приборов контроля и диагностики материалов и изделий. эти 
приборы отличаются большим разнообразием технических параметров, таких 
как входное и выходное сопротивления, чувствительность, диапазон частот, 
быстродействие, устойчивость, стабильность, ошибки преобразования сигнала.
подробно рассматриваются базовые схемы, используемые при построении 
аналоговых электронных устройств, в том числе усилителей постоянного 
тока, широкополосных усилителей, усилителей больших амплитуд напряжения 
и мощности. для всех типов усилителей предлагаются методики расчета, способы 
улучшения их качественных показателей. изложенные методики позволяют 
осуществить проектирование усилительных устройств приборов исходя из 
заданных технических показателей.
особенностью данного учебного пособия является четкая ориентация на 
проектирование и использование аналоговых устройств с применением интегральных 
микросхем. в этой связи раздел о интегральной схемотехнике является 
одним из наиболее важных и объемных по содержанию разделов учебного 
пособия. контрольные вопросы и задания после каждого раздела пособия обеспечивают 
возможность контроля за усвоением материала при самостоятельной 
работе студента.
в учебном пособии отражен многолетний опыт профессора в. с. кортова 
в преподавании курсов по усилительным устройствам приборов на физико-техническом 
факультете (институте) упи, угту-упи и урФу. контрольные вопросы 
и задания подготовлены доцентом с. в. никифоровым. авторы выражают благодарность 
старшему преподавателю Ю. г. устьянцеву и студентам г. а. глазковой, 
в. Ф. устюгову за помощь в подготовке учебного пособия к изданию.

глава 1  
Общие ПОлОжения. ТеРМинОлОгия

1.1. Обобщенная схема  
электронного прибора контроля

приведем принципиальную схему электронного прибора 
контроля:

на данной схеме представлены:
1 — датчик — чувствительный элемент, который преобразует 
неэлектрические параметры внешних физических полей в электрический 
сигнал; Uвых ~ 10 мкв — 10 мв — выходное напряжение 
датчика;
2 — усилительное устройство (аналоговое). аналоговое электронное 
устройство преобразует электрический сигнал датчика, 
изменяющийся по закону непрерывной функции;
3 — блок анализа и обработки информации (микропроцессор);
4 — индикатор;
5 — исполнительное устройство.

Виды усиливаемых сигналов
сигнал как функция времени может быть наглядно представ-
лен графически на следующих рисунках:

U

t

U

 

U
 

t
 
t

U

t

Периодические сигналы
Статистическое распределение 
сигнала по времени и амплитуде

простейшие сигналы:

U

t

 

 
U
 

t

 

Единичный сигнал 
«ступенька»

сигналы сложной формы (генерирует датчик):

 

U

t

1
2
3
4
5

на последнем графике приведены следующие импульсы:
1 — прямоугольный;
2 — треугольный;
3 — «пила»;
4 — «колокол»;
5 — экспоненциальный.
для сигналов 4, 5 за длительность импульса τи принимается 
время, в течение которого передается 90 % энергии импульса. 
величину τи можно рассчитать из уравнения

сложные сигналы раскладывают на простейшие гармоники 
и описывают с помощью интеграла Фурье в комплексной форме:

U

t

U0

при этом

 — простая гармоника;

(
)

0

1
( )
( )exp
;
2
U t
S
j t d

∞
=
ω
ω
ω
π∫


S(ω) — спектр сигнала.

Физический смысл интеграла Фурье — представление слож-
ного сигнала в виде бесконечной суммы гармоник, частоты кото-
рых отличаются на бесконечно малую величину.
реально сигнал сложной формы содержит бесконечное число 
гармоник, однако невозможно построить усилитель, который про-
пускал бы все гармоники. завалы низких и высоких частот линей-
ными цепями вызывают искажения, поскольку обедняют сигнал 
гармониками. задача проектировщика — создать усилитель, кото-
рый пропускал бы сигналы с допустимыми искажениями.

1.2. Определение усилителя

усиление — принцип преобразования энергии, при котором 
сигнал малой мощности Wвх управляет выходным сигналом Wвых 
большой мощности за счет преобразования энергии источника 
питания:

Uвых

Wвых

Wвых  Wвх
Uвх

Wвх

Источник 
питания

в зависимости от преобразуемой энергии усилители бывают 
электрические, гидравлические, пневматические, магнитные, 
оптические и др.

принцип усиления возможно реализовать, если в устройстве 
имеется нелинейный элемент, например, транзистор, который 
является электронным элементом, поэтому электрические усили-
тели на транзисторах называются электронными.

1.3. Качественные показатели усилителя

1.3.1. Входные и выходные параметры

совокупность усилителя и источника питания составляет 
усилительное устройство:

Wвх
Wвых

Rвх( )
Z
вх

Rг
Rн
вх( )I
вх
Uвых( )I
вых
U

Rвых( )
Z
вых

здесь Rг — сопротивление генератора;

Wвх, Wвых — входная, выходная мощности.

при Rг  Rвх — усилитель напряжения;

Rг  Rвх — усилитель тока; 
 
} деление условное

Rвых ≈ Rн — усилитель мощности.

данные соотношения справедливы и для комплексных 
сопротивлений.

1.3.2. Коэффициент усиления

усилитель можно представить в виде четырехполюсника:

Uвх
Uвых

при этом

j
K
K e ϕ
=


 — коэффициент передачи четырехполюсника;

 — фазовый сдвиг сигнала, прошедшего через 
четырехполюсник;

( );
K
f
=
ω


( ).
f
ϕ =
ω

на средних частотах 
 — технический коэффициент 
усиления (K0 ~ 10÷105).
как правило, один каскад усиления дает K0 ~ 10÷50, поэтому 
используют многокаскадные усилители (N — число каскадов).
рассмотрим пример: N = 3:

1
2
3

Uвх1
Uвых3
Uвых2 
вх3 
=U
Uвых1 
 
вх2 
=U

здесь

технический коэффициент усиления N-каскадного усилителя 
рассчитывается по формуле

0
0
1
.

N

i
N
i

K
K

=
=∏

в связи с тем, что громкость слухового восприятия звукового 
сигнала пропорциональна логарифму его интенсивности, для сравнения 
мощностей двух колебаний была введена логарифмическая 

единица бел (б). коэффициент усиления часто выражают в более 
мелких единицах — децибелах (дб):

1.3.3. Частотные характеристики усилителя

различают следующие виды частотных характеристик:
1. зависимость модуля коэффициента усиления от частоты 
называется амплитудно-частотной характеристикой (аЧх):

( ).
K
f
=
ω


2. зависимость от частоты фазового сдвига φ, вносимого усилителем, — 
фазочастотной характеристикой (ФЧх):

φ = f(ω).

3. зависимость от частоты комплексного коэффициента усиления — 
амплитудно-фазовой характеристикой (аФх).

Общий вид АЧХ
для аЧх типичным является наличие так называемой области 
средних частот (участок 2, см. рисунок), в которой коэффициент 
усиления не зависит от частоты 
 на нижних и верхних 
частотах аЧх обычно спадает, образуя завалы низких (участок 1, 
см. рисунок) и высоких частот (участок 3, см. рисунок), вызванных 
наличием в усилителе линейных RC-цепей.

K0

2

K0

|K|

fн
fв
f, МГц

1

2

3